[发明专利]煤与瓦斯突出模拟试验台

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯突出试验装置，具体地说，涉及用于进行不同煤层倾角、不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验研究，同时研究声发射信号在突出过程中的传播规律及衰减特征的煤与瓦斯突出模拟试验台。

背景技术

在煤与瓦斯突出机理研究方面被广大学者普遍接受的是综合作用假说，它认为煤与瓦斯突出是由应力、瓦斯压力和煤的力学性质综合作用的结果，但到目前为止，地应力、瓦斯压力和煤的力学性质在突出过程中的作用机理也尚未明确。前苏联在20世纪50年代就进行了一维突出模拟实验，试验表明只有在很大瓦斯压力梯度下(每一厘米瓦斯压力下降几个兆帕)煤才有可能被破碎和抛出。20世纪60年代初，日本学者氏平增之在实验室进行瓦斯抛射煤粒试验，利用CO₂的结晶冰、松香、水泥、煤粒制作了多孔介质模型模拟突出，试验在多孔介质孔隙瓦斯压力下引起材料的破碎和抛出，最后发展为类似苏联的综合考虑地层应力和瓦斯压力的突出模拟试验。与苏联的突出模拟试验相比，日本模拟装置的优点在于模型中有一段模拟围岩的水泥段，能进行“掘进”等作业；其缺点是用冰、水泥或松香等这些无瓦斯吸附能力的材料做模型，不论其物化性质或力学性质都与煤相差甚远。不能算是真正的模拟，只能算作是“复制”。

在国内，20世纪80年代初，我国煤炭科学研究院抚顺分院王佑安教授首先开展了煤与瓦斯突出一维模拟试验研究，现场采集煤样，实验室成型，模拟IV、V类突出危险煤，得出了一维条件下突出强度同垂直应力、瓦斯压力之间的定量关系。1996年，中科院力学所孟祥跃等人开发了既能改变地应力又能改变瓦斯压力的二维煤与瓦斯突出实验装置。2000年中国矿业大学郭立稳、俞启香、蒋承林通过煤与瓦斯突出装置研究了突出过程中的温度变化，认为在煤与瓦斯突出过程中，煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的，而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的，其变化是先升高后降低并连续变化的。2002年焦作工学院牛国庆、颜爱华、刘明举等也设计了煤与瓦斯突出装置，用来考察煤与瓦斯突出过程中的温度变化，研究结果认为在煤与瓦斯突出过程中，瓦斯的膨胀做功过程并非绝热过程，而是一个接近于等温过程的多变过程。2004年焦作工学院蔡成功等又按照相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置，实验模拟了不同煤型强度、三向应力、瓦斯压力条件下的煤与瓦斯突出过程，得出了突出强度同瓦斯压力、煤型强度、三向应力、瓦斯压力关系数学模型，分析认为，应力和煤的力学性质是决定突出强度的主要因素。蔡成功等在原有实验装置上进行改进，又按相似理论设计了三维煤与瓦斯突出模拟实验装置。该实验装置用来进行模拟突出的煤样模型尺寸的长、宽、高为225mm×225mm×137mm。应力施加系统为TYS-500型岩石应力试验机。垂直轴压直接由试验机轴向系统施加。侧向应力为围压，用专用的侧向液压油缸施加，液压油由试验机侧压系统供液。在突出模拟时用标准精密压力表和试验机计量系统共同计量施加的压力。煤样成型后，连续脱气48h，然后充气吸附48h以上。当应力、瓦斯压力无变化，即装置无漏气、卸载时，采用机械方式突然打开突出口，使其发生突出完成实验。为安全起见，充气介质采用CO₂。

然而，原有煤与瓦斯突出实验装置，虽在一定程度上加深了煤与瓦斯突出机理的研究进展，但或多或少的存在以下缺点：以上几个实验装置所采用的模型尺寸较小，所用气体介质为CO₂或N₂，并且所有的模型均是水平的，而现实情况，井下为水平倾角的煤层相对较少，不能完全模拟现场实际含瓦斯煤层，尤其是顶底板石门揭煤突出情况所遇到的煤层都是倾斜的；并且，装置突出口的打开方式也均为手动，打开速度较慢，在一定程度上影响了煤与瓦斯突出的时间和强度，与真实井下煤与瓦斯突出存在差别；除此之外，以上所有的实验装置所施加的应力也都是均匀的，没有模拟出采面由于采矿活动造成的局部应力集中，而应力集中往往又是造成突出的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤与瓦斯突出模拟试验台，模拟煤与瓦斯的突出过程。